Műholdépítés közben
(Rovat: Hazai kutatóhelyek és űripar, Korszerű oktatás - 2008.04.05 08:12.)

Cikksorozatunk második részében részletesebben foglalkozunk a SSETI ESEO műhold magyar diákok által fejlesztett plazmadiagnosztizáló (LMP) műszerével.

A Langmuir-szonda a plazma tulajdonságainak mérésére alkalmas eszköz. Plazma alatt egy részlegesen vagy teljesen ionizált gázt értünk, melynek részecskéi együttesen reagálnak mágneses és elektromos terekre. A szonda egy egyszerű, plazmába merített gömb, vagy henger, amit egy kinyitható rúd tart 50 cm-es távolságban a műhold vázától. A mérés során a fejegységre különböző potenciálok kapcsolhatók, így a töltött részecskéket vonzani illetve taszítani fogja. A szonda áramának mérésével a környezet tulajdonságaira lehet következtetni. Az LMP csapat elsődleges vizsgálati célpontja a Van Allen-övek és a Föld körüli sugárzási övek. Itt csapdába ejtett elektronokat, protonokat és nehézionokat találhatunk, amelyek együttesen egy plazmaréteget képeznek a Föld körül.

A mérés kivitelezéséhez szükség van az említett távtartó rúdra, amit a felbocsátás alatt a műholdhoz kell rögzíteni, majd miután az ESEO (European Student Earth Orbiter) levált a hordozórakétáról és a földi irányítóközpont kiadta a parancsot, mérő pozícióba állítsa a 7 cm hosszú, henger alakú szondát.

Az LMP detektoregysége.

A távtartót, a rögzítésért és nyitásszabályozásért felelős mechanikát Szabó János gépészmérnök hallgató (BME) tervezte. A mérőfej egy henger, amelynek alapköre 2 cm sugarú és magassága 7 cm. Bevonata egy nagyon jó vezető réteg: titán-nitrid (TiN). A fej egy triaxiális kábellel csatlakozik a műhold oldalán található LMP kontroll dobozhoz, amelyben a jelkondicionáló és a vezérlőáramkör található.

Az LMP vezérlőegysége.

A jelkondicionáló rész szolgáltatja a gerjesztőjelet a szondának és méri a gerjesztés hatására fellépő szondaáramot. A szonda potenciálját a szerkezethez képest +15 V és –15 V között képes beállítani. A legkisebb mérhető áram nanoamper tartományba esik, a maximális áram pedig 3 mA. Az áramkör méréstartományát előzetes számítások, szimulációk és ESA szakértőinek véleménye alapján határoztuk meg. A mért adatok digitalizálására nagy felbontású, 24 bites szigma-delta típusú analóg-digitális átalakítót használunk.

A mérés vezérlését redundáns jelfeldolgozó processzorból álló blokk végzi. A vezérlőegység állítja be az előre tárolt, vagy a Földről feltöltött gerjesztőjelet, tömöríti és ideiglenesen tárolja a mért adatokat. Az elektronika több ponton is méri saját hőmérsékletét, eltárolja a saját fogyasztására jellemző mennyiségeket (felvett áram, feszültségértékek) és parancsra továbbítja a műhold fedélzeti számítógépének redundáns CAN buszon keresztül. Minden mérést időbélyeggel lát el, hogy a kiértékelés során azonosítható legyen a hely, ahol a mérés készült.

Kétféle előre definiált mérési mód van megvalósítva az LMP-ben:

• Áramgyűjtő mód: konstans pozitív potenciálra kerül a szonda, így nagy szondaáram mérhető, amiből a plazma elektronsűrűségét lehet meghatározni.
• Feszültség pásztázó mód (sweep): A szonda potenciálját a +5 V és –5 V között léptetve (háromszög jel) áramot mér a műszer, az eredményekből egy áram-feszültség függvény (I-V) nyerhető, valamint plazmasűrűségre, elektronhőmérsékletre jellemző értékek kaphatók. Ha a szonda felülete elszennyeződik, akkor a mért karakterisztikán hiszterézis figyelhető meg.

Mindkét mérési módban, ha a szondát napsugárzás éri, akkor a fém felületről a fényelektromos jelenség miatt elektronok léphetnek ki, amelyek módosítják a mérési eredményt. Ennek figyelembe vétele a földi kiértékelés során fontos. A mérés menetét és kiértékelését Játékos Balázs és Perkó Zoltán mérnök-fizikushallgatók tervezték meg.

A kísérlet kulcseleme a megbízható és zajmentes tápegység. Ennek tervezését, kivitelezését másodéves villamosmérnök hallgatók végezték. A BME Űrkutató Csoportja minden területen a diákok segítségére volt, hasznos tanácsokat, tervezési szempontokat és ötleteket adva a megvalósításhoz.

Az LMP tápegység tervezése.

A tápegység első, működő változata 2007 augusztusában készült a BME Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszékén.

Az LMP tápegység breadboard modellje.

A vezérlő és jelkondicionáló elektronikát a BME Elektronikus Eszközök Tanszékén készítette Marosy Gábor és Temesvölgyi Tamás önálló laboratórium keretei között. A komplett rendszer tesztelésére is lehetősége van a csapatnak. Ehhez a KFKI AEKI biztosított egy zárt üvegcsövet, amelyben 5 torr nyomású hélium gáz található. Plazma létrehozásához egy anód és katód, illetve két elektróda is helyet kapott, amivel az eredeti nagy szondát szimuláljuk valós plazmakörnyezetben.

LMP tesztelés plazmacsővel.

Sötétben a plazmacső.

A következő egy év feladatai közé tartozik, hogy az eddig külön nyáklemezen helyet kapó részegységeket végleges formában újra elkészítsük. Az alumínium dobozt, amelyben az elektronika helyet kap, le kell gyártanunk és a komplett rendszert rázópados, vákuum- és termikus teszteknek kell alávetnünk, hogy elkészülhessen a repülő példány. A műszer az ESEO műholdon 2011-től fog méréseket végezni.

Az ESEO műholdat építő külföldi diákokkal évente kétszer van lehetőség találkozni Hollandiában. A találkozókra az LMP csapat két főt delegálhat. A workshopok alkalmával egyeztetünk a műhold fő rendszereit építő csapatokkal, a műholdat működtető és iránytó csapattal. Ezen kívül ESA által biztosított szekértők is jelen vannak, akik felügyelik a munkánkat és konzultációra is lehetőséget biztosítanak.